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碳纤维复合材料在风力机叶片中的技术应用

供稿人:ISTIS  供稿时间:2005-9-1   关键字:碳纤维复合材料  叶片  CF  CFRP  
随着发电单机功率的增大,要求叶片长度不断增加。对叶片来讲,刚度也是一个十分重要的指标。始于上世纪末的相关研究表明,碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性,当与树脂材料混合时,则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一,碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。GE风能的叶片工程全球经理Ramesh Gopalakrishnan说,设计师们在寻找轻质高强度材料时,选中了碳纤维。
 
虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料,但价格昂贵,是玻璃纤维的10倍,不太高的性价比影响了它在风力发电上的大范围应用。因此,全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。VESTAS的V-90型风力机容量为3.0MW,叶片长44m,其样品试验采用了碳纤维制造;GAMESA在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包含了碳纤维;NEG Micon正在制造碳纤维增强环氧树脂的40米叶片;这三家公司的碳纤维都采购自St.Louis-based Zoltek公司。德国叶片制造厂家Nordex Rotor开发了56m长的碳纤维叶片,他们认为叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高。
 
LM公司在《2004全球碳纤维展望》的报告中指出:在风力机叶片中采用碳纤维,应注意它和玻璃纤维混合时所增加的重量;应用于叶片设计时样品测试的可靠性不够高,须加大测试的覆盖面;加工精度要求高;由于是半导电材料须规避雷电来袭对叶片的损伤。目前大规模安装的2.5-3.5MW机组采用了轻质、高性能的玻璃纤维叶片,设计可靠,市场竞争力强,下一代5-10MW风力机的设计将更多的采用碳纤维(pdf)。
 
以“((carbon and fiber) or CF or CFRP) and wind and turbine and (blade* or vane*)”为检索策略,在欧洲专利局网站进行了检索。现将获得的部分相关专利概述如下:
 
1.专利名:风力机叶片的防雷电方法
公开号:US6457943                  公开日:2002.10.01
申请号:US20010786545          申请日:2001.03.06
申请人:IM GLASFIBER AS (US)
同族专利:WO0014405 (A1)、EP1112448 (A1)、EP1112448 (B1)
摘要:该发明涉及一种具有避雷装置的风力机叶片,其目的在于既能加强叶片强度又能转移雷电的来袭。其特征在于所述的避雷装置由一个或多个碳纤维增强塑料长条组成,作为叶片的主要构件之一。
 
2.专利名:碳纤维、丙烯酸纤维,及其制作生产过程
公开号:US6103211                  公开日:2000.08.15
申请号:US19980983393          申请日:1998.01.20
申请人:TORAY INDUSTRIES (JP)
同族专利:EP0843033(A1)、WO9745576(A1)、US6221490(B1)、
EP0843033(A4)、EP0843033 (B1)
摘要:该发明的目的在于提供一种高强度的碳纤维,所述的碳纤维主要包括大量的满足下列关系式的细纤维:sigma>/=11.1-0.75d,其中的sigma指碳纤维抗张强度,d指细纤维的平均直径。这种碳纤维适用于风力机叶片材料等于能源相关的设备,或者作为道路、大桥的加强结构层。
 
⒊专利名:风力涡轮机叶片
公开号:WO03008800              公开日:2004.09.29 
申请号:02814543.7                 申请日:2002.07.19
申请人:NEG Micon
同族专利:EP1417409(A1)、US2004253114(A1)、CA2454038(A1)、EP1417409(B1)
摘要:一种风力涡轮机叶片,包含许多预制的沿外部圆周顺序布置的条带。条带由纤维合成材料,最好是碳纤维构成,也可以由木质材料,最好是胶合板或固化树脂中的木质纤维构成。其优点在于,可使制造与传统制造技术相比具有优良硬度和高强度,但又易于制造且又非常便宜,以用于风力涡轮机的叶片。该专利还涉及制造预先预制的条带的方法和制造风力涡轮机叶片的方法。
 
4.专利名:风力发电系统
公开号:WO03064851                 公开日:2003.08.07
申请号:WO2003US03017           申请日:2003.01.30
申请人:BARTLETT LEXINGTON P (US)
同族专利:WO03064851(A3)、WO03064851(A3)、US6800956(B2)、US2003141721(A1)
摘要:一种改进600W至900W的风力机系统,该系统包括一个风力驱动发电机、一个空气导管头锥体和一个支撑塔架结构,其中发电机部分的叶片采用了单向碳纤维;还提出了一种叶片制作方法,利用膨胀泡沫达到改进叶片边缘强度的效果。支撑塔架利用一种压缩式连接器是标准管道的接入无需焊接或钻孔。
 
5. 专利名:风力发电机叶片表面处理方法
公开号:JP2003214322           公开日:2003.07.30
申请号:JP20020082061         申请日:2002.02.18
申请人:MAKKU KK
摘要:为了降低制造工厂的规模,缩小运输设备,降低风力机叶片的制造和运输成本,提高风力机发电效率,风力机叶片的制造采用了具有高强度特性的碳纤维片材,主要用于叶片的表面。
 
许多结构方面的工程师确信,由于自然的规模法则显示当叶片长度增加时,质量的增加要高于能量的取得,因此碳纤维或碳纤维/玻纤混杂纤维的采用对抑制质量的增大是必要的。现CFRP轴已应用于转动叶片端部,因为制动时比相应的钢轴要轻得多。国外专家认为,在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时,采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。
参考文献
1.Growing opportunities and challenges in wind turbine blade manufacturing - May 2004
 
2.Carbonizing Wind (UtiliPoint - Jun. 15)
 
3.Innovative Structural and Aerodynamic Design Approaches for Large Wind Turbine Blades
43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; Reno, NV; USA; 10-13 Ja. 2005
 
4.Global Outlook for Carbon fiber 2004

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